Изотопная революция в физике

Физик-теоретик Жорж Лошак убежден, что монополь где-то рядом.
Фото из архива Леонида Уруцкоева

Еще в середине 20-х годов прошлого столетия независимо друг от друга ряд известных исследователей – Гашлер, Смитс и Карссен, Нагаора – сообщили о преобразовании тяжелых химических элементов (свинец, ртуть) в более легкие (ртуть, золото) при пропускании мощного электрического разряда через расплав, раствор или пары соответствующих веществ. Однако все экспериментальные результаты без тщательной верификации были отнесены к артефактам и дальнейшие исследования в этом направлении были прекращены.

Как все начиналось

После открытия нейтрона в начале 30-х годов ХХ в. достаточно быстро было осознано, что помимо ядерных сил (или сильных взаимодействий) в природе существуют еще и слабые взаимодействия. На основе многочисленных экспериментов было установлено, что слабые взаимодействия (или электро-слабые взаимодействия – так их назвали позже) играют существенную роль в ядерных процессах. Например, за бета-распад ядер ответственны как раз электро-слабые взаимодействия.

В 1947 году появилась первая теоретическая работа Доделя с сотрудниками, в которой было показано, что электронная оболочка атома может влиять на процессы бета-распада ядра. В течение последующих 50 лет происходило постепенное осознание физиками того факта, что влияние электронной оболочки атома может оказывать заметное влияние – через электро-слабые взаимодействия – на процессы, происходящие в ядре. Масштаб этого влияния был до конца осознан не сразу, а многими физиками не осознан и по сей день.

В 1951 году Бэйнбридж и Голдхабер зафиксировали уменьшение времени жизни метастабильного ядра технеция на 0,3% из-за деформации электронной оболочки атома.

В 1996 году группой немецких физиков (Бош и др.) на кольцевом ускорителе в ЦЕРНе (Швейцария) было зафиксировано ускорение бета-распада ядер рения, за счет полной ионизации (то есть удаления электронов) атома рения. Время жизни ядер уменьшилось в миллиард раз.

Таким образом, если вспомнить, что бета-распад приводит к трансформации химического элемента, то есть к перемещению химического элемента на один номер вверх в таблице Менделеева, а позитронный распад – к перемещению на один номер вниз, то эксперименты 20-х годов не представляются уже столь ошибочными, как ранее.

Схема экспериментальной установки, на которой было обнаружено явление изотопных искажений титана. 1 – конденсаторная батарея; 2 – разрядник; 3 – кабель; 4 – фольга; 5 – электрод; 6 – полиэтиленовая крышка; 7 – уплотнение; 8 – взрывная камера; 9 – раствор; 10 – вентили; 11 – баллоны; 12 – корпус из нержавеющей стали; 13 – фор-камера.

В начале 90-х годов прошлого столетия появилось сенсационное сообщение американских профессоров Флейшмана и Понса о наблюдении ими при электролизе тяжелой воды аномально большого энерговыделения и значительного потока нейтронов. К сожалению, американские ученые сделали поспешное заявление без тщательных измерений и проверки результатов. Независимая проверка, проведенная в различных научных центрах, не подтвердила выводов Флейшмана и Понса. В результате этому направлению физических исследований (его назвали «холодным» синтезом) был нанесен серьезный вред, так как в физическом сообществе установилось скептически-негативное отношение к «холодному» синтезу.

Под покровом магнитного поля

В 80-х годах руководителем советской термоядерной программы академиком Кадомцевым был выполнен ряд работ, из которых следовало, что наложение сильного магнитного поля на нейтральный атом принципиально перестраивает электронные оболочки атома. Но создание такого большого магнитного поля в лабораторных условиях – примерно миллиард Гаусс – на сегодняшний день представляется несбыточной мечтой. Как же решить эту задачу?

Ответ на этот вопрос лежит в работах известного физика-теоретика Жоржа Лошака, ученика Луи де Бройля. Теория Лошака, созданная около 20 лет назад, столь логична и элегантна, что было бы величайшей несправедливостью, если бы предсказываемые ею лептонные (легчайшие частицы – типа электрона или нейтрино) магнитные заряды не существовали в природе. Магнитные заряды – это частицы, аналогичные электрону, но несущие магнитный заряд, а не электрический. Из теории Лошака следует, что для рождения такой частицы не требуется значительных затрат энергии.

Монополь Лошака обладает рядом очень интересных свойств, в частности, он должен непременно участвовать в электро-слабых взаимодействиях. Но такая частица обладает и еще одним очень важным для наших рассуждений свойством. Магнитное поле его столь велико, что если считать его точечной частицей, то на расстоянии порядка размера атома (так называемая боровская длина), оно как раз достигает значения миллиард Гаусс. А это и есть то поле, которое необходимо для эффекта Кадомцева.

Поскольку математическое изящество теории не есть доказательство ее физической адекватности, то необходимы были экспериментальные подтверждения.

Искажение титана

С 1998 года в ГУП «РЕКОМ» (Российский научный центр «Курчатовский институт») мы начали серию экспериментальных исследований для решения одной прикладной задачи, не имевшей поначалу отношения к поиску монополя Лошака.

В герметичном контейнере размещался массивный электрод, изготовленный из сверхчистого титана, частью которого служила тонкая титановая фольга. Весь электрод был помещен в сверхочищенную дистиллированную воду; и весь этот узел находился в контейнере из полиэтилена высокого давления. А уже вся конструкция – в металлическом массивном герметичном контейнере. На электрод, погруженный в жидкость, подавался мощный импульс электрического тока. В результате титановая фольга взрывалась.

Но неожиданно в остатках этой фольги мы обнаружили сильные изотопные искажения титана.

Дело в том, что все химические элементы находятся в строгом природном изотопном распределении. Изотопы – это атомы одного и того же элемента, имеющие разное количества нейтронов, то есть разную массу ядра. Например, титан имеет пять изотопов: 46, 47, 48, 49 и 50-й. И эти изотопы находятся в строгой пропорции между собой. Так вот, в наших экспериментах было зафиксировано значительное (порядка 10%) уменьшение доли 48-го изотопа титана по отношению к другим изотопам. Такое отклонение в десятки раз превышает возможные ошибки измерений и должно иметь какое-то разумное физическое объяснение.

Все выглядело так, как будто 10% 48-го изотопа титана (не всего титана, а именно 48-го изотопа титана) «исчезало», но не бесследно. Вместо него появлялось ровно столько же по массе других элементов (натрий, алюминий, хлор и др.). То есть складывалось полное впечатление, как будто 48-й изотоп титана превращался или разлагался в «спектр» других химических элементов.

После многочисленных проверок был сделан вывод: экспериментально наблюдается трансформация химических элементов в макроскопических (для физики) масштабах (масса титановой фольги примерно 1 грамм) при низких затратах энергии (примерно 50 кДж). Результаты выглядели столь неожиданно, что потребовалась их независимая проверка, которая и была выполнена группой физиков из Объединенного института ядерных исследований в Дубне (группа Кузнецова). Все материалы опубликованы в «Анналах Фонда де Бройля».

Охота на монополь Лошака

Начались поиски механизма, способного объяснить столь необычные результаты. Прежде всего было подтверждено, что: 1) в пределах измерительных погрешностей никаких противоречий с законами сохранения не наблюдается; 2) наблюдаемую трансформацию можно объяснить за счет слабых взаимодействий; 3) необходим поиск «катализатора», ускоряющего слабые взаимодействия.

Как нетрудно догадаться, в качестве «катализатора» предполагался монополь Лошака, и на него началась охота. На сегодняшний день было бы преждевременно утверждать, что монополь Лошака обнаружен. Но можно уверенно заявить, что регистрируется излучение, по своим магнитным свойствам очень похожее на лошаковский монополь.

Эксперименты продолжаются, и окончательные выводы делать рано. Сегодня вопросами низкоэнергетической трансформации химических элементов занимаются во многих странах: 6 лабораторий в США, в России (5 групп), три группы в Италии, во Франции (3 группы), в Японии (5 групп) и Канаде. Из последних результатов видно, что мы стоим на пороге обнаружения еще каких-то совсем необычных явлений.

Тем не менее предварительные выводы уже можно сделать:

очень похоже, что приближается то, что по меткому выражению одного французского коллеги можно назвать «изотопной революцией» в физике;

низкоэнергетическая трансформация химических элементов возможна за счет слабых взаимодействий;

по всей видимости, в природе существуют частицы, обладающие магнитным зарядом.

По нашему оптимистическому прогнозу, в ближайшие 3–5 лет будет создана технология по промышленному синтезу химических элементов, в том числе и таких, как платина, золото, иридий, осмий, рений и т.д.

Чем эта революция в физике может обернуться для мировой финансовой системы и экономики в целом? На этот вопрос мы не знаем ответа, поскольку мы физики, а не экономисты. Но думаем, что если в качестве модели взять предположение, что, скажем, обнаружен остров, состоящий из золота и других ценных металлов, то такая модель может грубо описать ситуацию, с которой мы столкнемся в ближайшие 10 лет.